种植屋面5种不同排蓄水材料性能分析*

俞 伟 关庆伟

南京林业大学森林资源与环境学院 南京 210037

种植屋面是指铺以种植土或设置容器种植植物的建筑屋面或地下建筑顶板。栽上植物的屋面可以蓄积雨水［1-2］，减少地表径流［3］。在炎热夏季，其通过植物土壤的蒸腾蒸发作用和树冠叶片的遮阴效果，可以大大减少屋面热通量，增强保温隔热性能［4］，降低建筑物空调系统的能耗［5］，从而间接减少碳排放。

国家行业标准《JGJ155—2013种植屋面工程技术规程》中将种植屋面划分为简单式(extensive green roof)和花园式(intensive green roof)2种，并规定了种植平屋面设计的基本构造层次要求，从下往上依次为基层(即屋面板)、绝热层、找坡层、普通防水层、耐根穿刺防水层、保护层、排(蓄)水层、过滤层、种植土层和植被层等。在具体实施时可根据各地区气候特点、屋面形式、植物种类等情况，增减屋面构造层次，选择不同材料。同时规程建议年降水量小于蒸发量的地区宜选用蓄水功能强的排(蓄)水材料，而在条文说明里推荐优先选用塑料类排(蓄)水板。由此可见，对于雨水少的地方，种植屋面排(蓄)水层的蓄水能力是非常重要的。它直接关系到植物的存活和后期养护的成本，特别是对于种植土层很薄的简单式种植屋面。

目前市场上塑料排(蓄)水板的厚度普遍在2～3cm，其每平米的蓄水能力到底有多大尚没有看到具体数据。另外在种植屋面全生命周期的环境评价时发现，这种塑料排(蓄)水板在生产过程中会给环境带来负荷，而且现有塑料排(蓄)水板的耐久年限还有待提高［6］。总之，和其他轻质无机多孔材料相比，这类排(蓄)水板的蓄水性能是否真的具有明显优势，还没有看到公开的实验报道。下面我们想通过两类5种不同排(蓄)水材料的对比试验，来对它们的蓄水性能进行验证，以期为今后种植屋面(或屋顶绿化)建设提供依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本次试验选取的5种排(蓄)水材料分别是碎石、陶粒、玻璃轻石、PVC 排(蓄)水板和HDPE排(蓄)水板。碎石是屋顶绿化常用的排水材料，取材容易、价格低廉、重量大、强度高，排水效果好，选用规格1 ～2.5 cm;但由于材料自身质地紧密、没有孔洞，基本没有吸水能力，本次试验把它作为对照。陶粒属传统园艺上常用的轻质疏松颗粒状材料，因原料和工艺不同而各异，有一定的吸水性;但抗压强度远不如碎石，较早应用于简单式种植屋面，选用规格1 ～2 cm，球形暗红色。玻璃轻石是将各种废玻璃研磨成粉末，通过添加不同的助剂，使其在高温焙烧过程中发泡膨胀后冷却而形成的一种多孔轻质无机材料，具有质轻多孔、硬度高、抗压性强、吸水性好等多种优良性能，是新开发的循环利用型材料，选用规格1.5 ～3 cm。

本试验选用的PVC 排(蓄)水板为双面凹凸型，规格78 cm×127 cm(约1 m2)，总厚度3 cm;下凹面整体形成蓄水盘，总共由791 个杯形孔组成，蓄水高度约1.5 cm;上凸顶面开小圆孔用于排水和透气，同时支撑土工布。HDPE 排(蓄)水板规格为50 cm×50 cm，总厚度(也是蓄水高度)为3 cm。其板面结构为多孔图案状，大孔共64 个，镂空用于排水透气;小孔81 个，下凹杯形用于蓄水和支撑。

1.2 研究方法

所选材料分属2种不同类型，碎石、陶粒和玻璃轻石属于松散型颗粒状无机材料，塑料类排(蓄)水板属于块状有机材料。整个试验根据材料特点采取了2种不同的方法。

首先，将碎石、陶粒和玻璃轻石用玻璃量杯各量取1 L 装入自封塑料袋中，在自然状态下用精度为0.01 g 的电子天平称重，记录重量;然后在塑料袋中灌满水后封口，全浸水24 h 后开启袋口将水排干，观察袋内不再有重力水流出后，用电子天平二次称重，记录下浸水后的重量;前后差值即为每升材料的蓄水重量，并可由此换算出每升材料蓄水体积。同时，观察碎石、陶粒和玻璃轻石在水中状态的变化(下沉、悬浮或浮在水面)。

然后，用电子称称取2种塑料排(蓄)水板各自重量，并得出每平米重量。接着，用量杯量取1 L 水备用，将2种排(蓄)水板平放在桌面，进行注水试验。PVC 排(蓄)水板选取4 排共64 个孔，先用塑料尖嘴壶将每个孔的水加至九成满，然后改用吸管点加，以水不往外溢出为标准，记录下所用水量，计算出单孔平均用水量，由此得出整块板(约1 m2)的蓄水量。对于HDPE 排(蓄)水板则对整块单板的小孔注水，记录下单块板的用水量，由此计算出每平米板的蓄水量(4 块1 m2)。注水方法和标准同上。

以上试验均在南京林业大学生态学实验室内进行，时间为2014年1月。试验设3 次重复，结果取平均值。

2 结果

自然状态下，碎石和陶粒、玻璃轻石的重量差异很大，从大到小的顺序为碎石、陶粒、玻璃轻石，其中碎石的重量分别是陶粒的4 倍和玻璃轻石的6.6倍。根据统计数据，计算出3种材料每升的蓄水量由大到小依次为玻璃轻石、陶粒、碎石(表1)。陶粒的蓄水量为碎石的4.9 倍，玻璃轻石的蓄水量高出陶粒约60%。另外可以看到，经水浸泡24 h 后，除碎石外，陶粒和玻璃轻石依然浮在水面。

表1 3种松散型颗粒状排(蓄)水材料性能指标

对于塑料类材料，PVC 排(蓄)水板要比HDPE 排(蓄)水板轻77%，且每平米蓄水量前者要大于后者约25%(表2)。在试验过程中，HDPE排(蓄)水板有破损，而PVC 排(蓄)水板没有。虽然本次试验没有做材料的耐压强度测试，但也从侧面说明PVC 板的整体强度要好于HDPE 板。

同时，为了体现蓄水量和材料自身重量和体积的关系，根据试验数据另外计算出其各自的体积比和重量比2 个参数(表3)。

表2 2种塑料类排(蓄)水板性能指标

表3 5种排(蓄)水材料蓄水性能重量比和体积比

3 分析与讨论

首先需要强调是，把碎石作为对照是由于一般认为它不具备蓄水能力，但为什么试验结果里却反映出它具有一定的蓄水量呢?这是因为碎石并不是一种憎水材料，浸水后其表面实际上也吸附了少量的水;但其蓄水量只占到材料自身重量的1%和体积的1.5%，确实可以忽略不计。

对2 类不同材料由于采用了不同的试验方法，对于各自的蓄水能力得出的结果无法直接进行比较。对于碎石、陶粒和玻璃轻石，得到的是每升蓄水量;而对于塑料排(蓄)水板，得到的是其每平米固定蓄水量(其厚度为定值)。如此只有把碎石、陶粒和玻璃轻石每升蓄水量换算成每平米才有比较意义;而要算出其每平米的蓄水量，只有在具体工程中明确了这类材料的铺设厚度才能得到。

不妨先来看一下《种植屋面工程技术规程》JGJ155—2013 里对这类材料的铺设要求:1)级配碎石的粒径宜为1 ～2.5 cm，铺设厚度不小于10 cm;2)陶粒的粒径宜为1 cm ～2.5 cm，堆积密度不宜大于500 kg/m3(本次试验用陶粒366 kg/m3)，铺设厚度不小于10 cm。以上对于材料铺设厚度的规定均为下限值，实际工程中通常会根据种植土厚度和实际情况调整。对于玻璃轻石，因为是新型材料，《规程》里没有提到，对其可以参考陶粒的要求。如果以铺设厚度下限10 cm 来计算，可得到碎石、陶粒和玻璃轻石每平米的蓄水量分别为1.5 kg、7.3 kg和11.8 kg。除了碎石，这要比所有塑料排(蓄)水板的蓄水量都要大得多，特别是玻璃轻石，反映出优良的蓄水能力。所以在实际工程中不能简单地认为塑料排(蓄)水板的蓄水能力就比颗粒状的轻质材料要好。

试验中陶粒和玻璃轻石在浸水后仍然浮在水面，说明其比重仍然小于水。这恰如厂家资料所介绍，证明它们的内部孔洞为封闭结构而没有连通，只是表层的微孔吸附水分，才使得它们在浸水饱和后仍能保持较小的比重，而这种特性也是种植屋面所需要的。通常人们依据它们始终浮在水面的性状而断定它们没有吸水性或吸水性不好，这是不科学的。陶粒和玻璃轻石的表面均呈细密蜂窝状，作为排(蓄)水材料其颗粒小、数量多，总表面积就大，铺设达到一定厚度其蓄水性能是不可小觑的;而塑料排(蓄)水板由于可选择厚度不多，其蓄水的潜力非常有限。

在实际应用中，简单式种植屋面占有较大比例。特别是以种植佛甲草为主的既有建筑屋面改造工程，由于原结构荷载限制，种植土层较薄。说到这一类种植屋面，就要对《规程》里的数据作一点调整(因为这样才显得公平)。上面的比较套用了《规程》里的铺设厚度下限值10 cm。实际上在简单式种植屋面工程中，这样的铺设厚度是不现实的。作为简单式种植屋面，总厚度一般不超过15 cm。如果把碎石、陶粒和玻璃轻石的铺设厚度都按10 cm 来算，上面的土壤就太薄了，排(蓄)水层厚度竟然超过了种植土层。事实上也没这个必要。考虑种盆花的情况，一般在盆底铺上2 ～3 cm 厚的陶粒或石子就可满足排水要求。如果按照这个推理，《规程》里的下限值应该主要是针对种植土层较厚的花园式种植屋面。

按照3 cm 的统一厚度来比较这5种材料每平米的蓄水能力(表4)不难发现，这时的蓄水能力排序发生了改变，从大到小依次为PVC 板、玻璃轻石、HDPE 板、陶粒、碎石。这这说明在简单式种植屋面中，塑料排(蓄)水板表现出优良的性能，陶粒在铺设厚度减小的情况下蓄水能力明显下降。陶粒的蓄水量只有在铺设厚度达到5 cm 时超过HDPE 板，厚度为7 cm 时超过PVC 板;而玻璃轻石则只需要增加1 cm，就已和PVC 板相近。所以在简单式种植屋面上，PVC 板和玻璃轻石的蓄水性能应该是相近的，而陶粒因为太厚而不会被选用。能够大量蓄水但又不牺牲种植土层厚度是种植屋面排(蓄)水材料应该具备的良好性能，特别是对于简单式种植屋面而言。

这里需要说明的是，对于2种排水板，试验结果是在水平的试验桌上得出的;而对于种植平屋面，规范要求其排水坡度应在2% ～5%。在这种情况下，排水板的蓄水量将会因屋面倾斜有所折减，而这对于玻璃轻石和陶粒则没有影响。但从施工的角度看，屋面坡度的增加无疑也加大了玻璃轻石和陶粒这类散状颗粒材料的铺设难度。二者在这方面各有利弊。

表4 5种排(蓄)水材料3 cm 厚性能指标

2007 版《种植屋面工程技术规程》有关排(蓄)水材料章节没有列出碎石这种材料，只有陶粒和塑料排(蓄)水板;但2013 版把碎石加了进去，并提出了铺设要求。同时，塑料排(蓄)水板作为建议采用材料从2013 版正文里删除，而在条文说明里保留(见2013 版5.1.13 和2007 版5.2.8)。对于这样做的原因没有解释。即便如此，从以上的分析可以看出，塑料排(蓄)水板作为一种轻质带蓄水且施工方便的材料，在简单式种植屋面上具有很大优势;特别是当种植屋面工程受到屋面荷载限制时，这种材料轻且薄的特点可以最大程度增加种植土层厚度和减小总厚度。但对于花园式种植屋面，情况会有所不同。由于种植土层很厚(通常＞50 cm)，在实际应用中会遇到一些意想不到的问题，即由于土方量过大，在运输和平整过程中往往会用到车辆设备;而除了碎石外，上述其他材料是无法经受车轮反复碾压的(特别是地下或半地下式车库顶板上的土都是运土车直接开上去卸土)。虽然《规程》里规定了塑料排(蓄)水板的压缩性能指标，但主要是针对人和土壤的荷载，而没有考虑到屋面上土过程中运输车辆对材料的损伤。所以排(蓄)水板实际上只适用于用人工上土的种植屋面，而对于那些需要用车辆上土的种植屋面碎石的优势是明显的，这在大量的工程实践中得到证实。这就是为什么2013 版《种植屋面工程技术规程》里加上了碎石这种看似又苯又重且无蓄水性能的材料的原因。

最后，就蓄水量而言，没有任何一种排(蓄)水材料能够超过土壤本身(见规程对种植土的要求)。那么随着种植土层厚度的增加，排(蓄)水层所承担的蓄水量比例就在下降，其重要性也将相应降低。所以强调排(蓄)水层材料的蓄水能力应该只是针对种植土层较薄的简单式种植屋面，特别是在缺水干旱地区。

4 结论

种植屋面是对城市绿地的有效补充，对于缓解城市用地紧张，改善人居环境发挥着愈来愈重要的作用。作为建筑的有机组成部分，种植屋面必须首先解决好屋面排水问题，以消除公众对其存在的担忧;同时，为了屋面植物的生存和正常生长，也要求排水材料兼有蓄水功能。塑料排(蓄)水板对于简单式种植屋面表现出良好的应用前景，特别是PVC 排(蓄)水板，其蓄水重量比和体积比均为最优。其次是玻璃轻石。由于其多孔高强的特征，在透气性和耐压性方面均要优于塑料排(蓄)水板;尤其在增加铺设厚度的情况下，其蓄水性能将远远超过排(蓄)水板。而陶粒在性能和成本方面相对其t 材料都不占优。对于种植土层较厚的花园式种植屋面，碎石有时是个不得已的选择。其成本优势和抗压性能使它在过去、现在和将来都不能被轻易淘汰。

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［2］孙挺，倪广恒，唐莉华，等. 绿化屋顶雨水滞蓄能力试验研究［J］.水力发电学报，2012(3):44-48.

［3］叶建军.屋顶绿化对城市水环境的改善［J］. 水土保持研究，2007(2):186-188.

［4］项铮，储依.几种屋顶绿化形式的隔热及节能效果研究［J］.土木建筑与环境工程，2011(增刊1):42-44.

［5］唐鸣放，郑澍奎，杨真静.屋顶绿化节能热工评价［J］.土木建筑与环境工程，2010(2):87-90.

［6］杨真静，唐鸣放.绿化屋顶技术研究综述与探讨［J］. 新建筑，2012(4):52-56.